[DB] Couchbase의 개념과 특징, 아키텍처

Posted 20. September 2021. 11 min read.

Couchbase를 좀 더 자세하게

지난 게시글은 다음과 같습니다.

NoSQL
Redis

오늘은 Couchbase 개념입니다.

Couchbase 개념

카우치 베이스는 Document 기반의 Key-Value 스토어입니다.
하나의 유니크(Unique)한 키에 값을 저장하는 방식이며, 저장되는 값은 JSON 도큐먼트가 저장됩니다.
키(key)는 최대 250 바이트, 밸류(Value)는 카우치베이스 버킷은 20BMB, Memcached 방식의 버킷의 경우 1MB까지 저장이 됩니다.

저장할 때, 키와 값 뿐만 아니라 메타데이터도 같이 저장되며 메타 데이터는 CAS, TTL, Flag 값 3가지가 저장됩니다.

CAS : 데이터에 대한 일종의 타임 스탬프와 같은 개념으로, 여러 클라이언트가 같이 데이터를 접근했을 때 일관성(Consistent) 문제를 해결해줍니다.
TTL : Time To Live, 데이터의 유효 시간을 정의합니다.
FLAG : 카우치베이스 클라이언트에서 사용하는 메타데이터입니다.

이러한 메타데이터는 하나의 메타데이터(CAS, TTL, Flag)는 60바이트의 메모리를 차지하며, 카우치베이스 서버는 모든 키와 메타데이터를 유지하기 위해 용량을 설계할때, RAM의 사이즈를 결정합니다.

버킷(Bucket)

일종의 RDBMS의 데이터베이스 같은 공간이며 JSON document 들은 이 버킷에 저장됩니다.
각각의 버킷은 고유의 속성 값을 가지고 있습니다. 버킷별로 사용할 수 있는 메모리 양, 옵션으로 버킷별로 접근할 수 있는 TCP 포트, 접근 비밀번호, 버킷에 들어가는 데이터에 대한 복제본의 수 등을 정할 수 있습니다.

뷰(View)

카우치 베이스의 강력한 능력이며, 이 뷰를 통해서 Indexing, grouping, sorting 등이 가능합니다.
뷰는 데이터베이스 뷰와 유사한 개념을 가지며 카우치베이스의 뷰는 incremental view라는 컨셉을 가집니다.

다음의 예시를 보면 뷰의 기능의 동작을 예상할 수 있습니다. Json document 안에 주민번호있고, 80년생 이하만 저장하는 뷰를 만든다고 가정하면 데이터가 버킷에 저장될 때마다 생성된 뷰에 같이 저장됩니다.

couchbase-view-sample

이와 같은 결과로 데이터를 저장하거나 업데이트시 뷰 코드가 매번 수행되고, 뷰코드에 저장된 알고리즘에 따라 뷰에 데이터를 업데이트합니다.

이를 더 자세하게 보면 다음과 같습니다.

Map & Reduce

출처 및 뷰에 대한 상세 개념

Map Function(Map & Reduce) 함수를 통해서 View를 만듭니다.

맵함수는 두 개의 인자를 전달받으며 index(id, key, value)를 만들고 리듀스를 통해서 grouping이나 여러 처리를 할 수 있습니다.
즉, 뷰에는 각 버킷내의 개별 데이터를 반환하는 맵함수와 변환된 개별 데이터를 그룹별로 모아서 처리할 수 있는 리듀스 함수를 가집니다.

Couchbase 특징

Memcached 기반의 Level 2 캐쉬를 내장하여 빠릅니다.

memcached를 자체적으로 Level 2 캐쉬로 사용합니다.
자체적으로 메모리 캐쉬 기능을 가지고 있기 때문에 성능이 빠릅니다.

(다만, 키의 유연성이나 클러스터에서 단점을 가집니다.)

모바일 디바이스와 Sync

카우치디비 계열 DB들은 모바일 디바이스에 탑재할 수 있으며, 서버에 설치된 카우치베이스 계열과 Sync가 됩니다.

데이터 센터간 복제 기간

XDCR(Cross Data Center Replication)의 기능을 이용해서 물리적으로 떨어진 데이터 센터간에 복제가 가능합니다.
XDCR의 상세 내용

Indexing, Grouping, Ordering, Join 가능

대부분의 NoSQL은 Key/Value Store 형식으로, 개별 필드에 대한 Indexing이나 필드별로 group by를 통한 sum,count 등의 기능, 특정 필드별로의 Sorting이 불가능합니다.
Indexing을 지원하는 경우도 있기는 하지만, 내부적으로 성능상 문제가 있는 경우가 많으나 카우치베이스는 그러한 문제가 없습니다.

확장이 쉬움

분산 구조의 NoSQL의 경우 노드확장이 어렵거나 장애처리가 어려운 경우가 많으나 카우치베이스는 손쉽게 확장을 하고 장애 처리를 합니다.
이러한 장점은 운영에서 큰 이점이 됩니다.

Built in 관리 도구 제공

카우치베이스는 웹 기반의 GUI 관리 도구를 기본으로 제공합니다.

Couchbase Web Console

couchbase-web-console

출처

Memcached 프로토콜 지원

캐쉬 솔루션으로 유명한 Memcached 르포토콜을 지원하기 때문에 Memcached 인프라를 사용할 수 있습니다.

스키마가 없는 유연한 저장 구조(Scheme-less)

스키마가 없으므로 하나의 테이블에 컬럼 형식이 다른 데이터를 넣을 수 있습니다.
하나의 데이터 버킷에 데이타 구조가 다른 JSON 문서들을 넣을 수 있습니다.
데이터 타입이 다름에도 불구하고 공통되는 필드에 대해 Indexing, grouping 등을 제공할 수 있으며 JSON 도큐먼트에 country 라는 앨리먼트가 있는 도큐먼트등을 대상으로 grouping등을 할수 있습니다.

Couchbase Architecture

Couchbase Server는 모든 노드에 설치된 단일 패키지로 구성됩니다.

노드와 클러스터(Node & Cluster)

노드는 물리적인 서버에서 기동하는 하나의 카우치베이스 인스턴스
카우치베이스는 여러 개의 노드로 이루어진 클러스터로 구성됩니다.

클라이언트 SDK(Client SDK)

프로그래밍 언어별로 카우치베이스에 접근하기 위한 API(SDK)를 제공합니다.
SDK를 사용해서 선택한 언어(Java, node.js, .NET 등)으로 애플리케이션을 작성할 수 있습니다.

vBucket

카우치베이스는 실제 데이터와 물리서버간의 맵핑을 vBucket을 통해 관리합니다.
카우치베이스는 키-밸류 스토어이며, 각 키가 어디있는지는 vBucket이라는 단위로 관리하고, 키에 대한 해쉬값을 계산한 후에 각 해쉬값에 따라서 저장되는 vBucket을 맵핑한다음 각 vBucket을 노드에 맵핑합니다.
Rebalancing : 노드가 추가되거나 삭제되었을 때, 물리적으로 데이터가 다른 노드로 다시 분산배치되고 새롭게 배치된 데이터에 따라 vBucket이 노드간에 데이터 맵핑 정보도 업데이트됩니다.

vBucket

노드의 구조

couchbase-node-detail

Couchbase의 노드는 Data Manage과 Cluster Manager로 나눠집니다.

Data Manager

직접 데이터에 접근하는 부분이며, set/get 메서드를 통한 데이터 저장이나 뷰에 대한 쿼리를 수행할 때 접근합니다.
Multi Thread Persistence Engine : 디스크에 데이터를 저장하거나 읽을 때 사용하는 컴포넌트입니다.

Cluster Manager

노드에 대한 상태와 클러스터에 대한 상태, 설정 등을 관리하는 부분이며 Erlang/OTP로 구성되어 있습니다.
카우치베이스 클라이언트 SDK는 8091포트의 REST API를 통해서 vBucket 정보를 가져옵니다.
다수의 포트 등을 사용합니다. (사용전에 열어야하는 포트들이 있습니다.)

데이터 쓰기와 복제

couchbase-data-read/write

클라이언트에서 Client SDK를 통해서 쓰기 요청을 하면, Client SDK는 해쉬 알고리즘에 따라 데이터의 키 값에 맵핑되는 vBucket을 찾아내고 그 해당하는 노드를 찾아 쓰기 요청을 합니다.
쓰기 요청은 해당 노드의 Listener로 전달되고, 이 Listener는 들어온 데이터를 로컬의 캐쉬에 쓰고 클러스터의 다른 노드로 복제 요청을 보냅니다. 그리고 데이터는 노드의 디스크에 저장됩니다.

Couchbase Cluster

Couchbase 클러스터는 각각 독립 노드에서 실행되는 하나 이상의 Couchbase Server 인스턴스로 구성됩니다.
Couchbase Server를 실행하는 각 노드, 클러스터에 여러 노드가 있는 경우 Couchbase 클러스터 관리자는 각 노드에서 실행됩니다.
클러스터의 전체 또는 일부 노드에서 실행되도록 서비스를 구성할 수 있습니다.

유혀성

데이터는 Couchbase Server에 의해 클러스터 전체에 자동으로 배포됩니다.
Couchbase Server는 노드 추가 및 제거, 노드 장애를 자동으로 처리합니다.

Couchbase VS MongoDB

공통점은 다음과 같습니다.

Document 기반의 NoSQL입니다.

그러나 차이점이 있습니다.

이름	Couchbase	MongoDB
설명	Memcached 호환 인터페이스를 사용하여 CouchDB에서 파생된 JSON 기반 문서 저장소	완전 관리형 클라우드 서비스와 자체 관리형, 인프라에 배포할 수 있는 가장 인기있는 문서 저장소 입니다.
기본 데이터베이스 모델	문서 저장소	문서 저장소
보조 데이터베이스 모델	키-값 저장 공간 DBMS	공간 DBMS
스키마	X	X
파티셔닝	샤딩	샤딩